液状化による砂のセメンテーションの変化に関する研究
地盤工学研究室 長井 優之
指導教員 豊田 浩史
1. はじめに2011 年に発生した東北地方太平洋沖地震では，

2. 試験方法
2.1 試験装置

地震の規模が大きく，強い地震動の継続時間が長本研究には，図-1 に示した局所変位計付き三軸かったことや余震の影響により，液状化や再液状試験装置を用いる．この三軸試験装置を用いて，化が発生した．それに伴い，住宅，道路，河川堤液状化試験，BE 試験，LSS 試験をそれぞれ実施

防，港湾施設などのライフラインに甚大な被害がする．また，図-2 に局所変位計設置概略図を示発生した．この被害報告によれば，過去の液状化

す．供試体横方向の局所変位計は，接着剤により発生時点と同一地点でも液状化する現象である供試体に固定する構造になっている．また，鉛直再液状化が確認された．また，場所によっては過方向の局所変位計についても，接着剤により供試去に液状化が確認された地震よりも小さい地震体を挟み込むように固定している．LSS 試験ではで再液状化が発生することも報告された．
しかし，これら局所変位計を用いて，局所軸ひずみ εa，お一度液状化した地盤は，排水を伴って密になるたよび局所側方ひずみ εr を直接測定し，せん断ひずめ，液状化しにくくなるといわれており，再液状み εs（式(1)）を求める．また，せん断剛性率 G は化のメカニズムは明らかになっていないのが現（式(2)）を用いて算出する．なお，本試験装置は，状である．

ペデスタルとキャップにベンダーエレメントを本研究では，土の液状化強度に影響を与える要内蔵しており，供試体内に弾性波を発信すること因の一つである年代効果に着目する．
年代効果とで，非破壊でせん断波速度 Vs を測定し，湿潤密は，地盤が堆積年代を経ることによって液状化強度 ρt から初期せん断剛性率 G0（式(3)）を算出す度が上昇する現象である．本研究は，砂試料に微ることができる． LSS 試験も同一供試体を用い量のセメントを添加することにより，セメンテーて実施するため，供試体の個体差を受けることなション効果を与え，年代効果を再現する．年代効

くせん断剛性率を比較することができる．

果を再現した試料において飽和非排水繰返し三軸試験（以下，液状化試験）や局所ひずみ測定試

s 2  a   r 
3

験（以下，LSS 試験），ベンダーエレメント試験

(1)

G

q
3S

G 0 = ρ tV s 2（以下，BE 試験）を実施する．

(2)

(3)

本研究は，液状化による砂のセメンテーションの変化に着目し，年代効果再現試料の液状化特性

2.2 試験条件や波動伝播特性，微小変形特性を把握し，年代効本研究では，先行研究と同条件で試験を実施す

果が液状化および再液状化に与える影響や再液る．試料は豊浦砂およびセメントを用いて，高さ状化のメカニズムの解明を目的とする．そこで，

H =12.5 cm，直径 D =5.0 cm の円柱供試体を作製

液状化の程度が小さい場合と液状化の程度が大する．また，供試体は，漏斗堆積法により，相対きい場合の両者で試験を実施し，液状化の程度が密度 Dr = 32%となるように作製する．

再液状化特性に与える影響について液状化強度

セメントは，強度の発現が早く，安定する早強比，相対密度，せん断剛性率に着目して比較検討

ポルトランドセメントを用い，セメント含有率を行う．

Cc は乾燥質量に対して，Cc =0.0%，0.3%，0.5%，1.0%とする．また，セメンテーション供試体は強度の増加率が大きい 4 日間の水中養生（養生温度20℃）を必要とするため，図-3 に示す水中養生用モールドを用いて水和反応させてから三軸試験装置に設置することとする．
本研究に用いる豊浦砂の物性値を表-1 に，供試体の諸条件を表-2 に示す．
表-1 豊浦砂の物性値
土試料
土粒子の密度 ρ s (g/cm3)

豊浦砂
2.650

最小間隙比 e min0.597

最大間隙比 e max

0.990

細粒分含有率 F c (%)

0

砂分含有率 S c (%)

100

礫分含有率 G c (%)

0

図-1 局所変位計付き三軸試験装置
表-2 供試体の諸条件
試料

豊浦砂

セメント

早強ポルトランドセメント

養生期間 (day)4

養生温度 (℃）

20

相対密度 (%)

32

有効拘束圧 (kPa)50

2.3 試験方法
漏斗堆積法によって作製した供試体を試験装置に設置し，二重負圧，通水，予備圧密を行う．
供試体が十分に飽和（間隙圧係数 B≧0.95）して図-2 局所変位計設置概略図いることを確認したうえで，平均有効主応力 p’=50 kPa で等方圧密を 1.5 時間行う．その後，BE試験を実施し，液状化試験を行う．液状化試験では，セル圧一定，軸ひずみ速度 0.5mm/min 一定のもと，非排水繰返し載荷によるせん断を行う．液状化状態に達したら，液状化試験を終了することとする．続いて，再液状化試験において，変形が残ることによる異方性を取り除くため，液状化した供試体の軸変位を元の状態（軸ひずみ εa=0）に戻す．この状態からできるだけ等方変形を保ちつつ，ゆっくりと排水し，再び等方圧密を行う．液状化履歴を与えた供試体に対し，再度 BE 試験を

図-3 水中養生用モールド

0.30状化試験同様，セル圧一定，軸ひずみ速度0.250.5mm/min 一定のもと，非排水繰返し載荷によるせん断を行う．
本研究では 1 回目の液状化試験は，繰返し載荷過程において，平均有効主応力 p’=0 kPa に達しCyclic stress ratio, σd/2σ'c実施し，再液状化試験を行う．再液状化試験は液化試験と同様とした．
このように液状化履歴のなかでも，液状化の程度が小さい場合と液状化の程度が大きい場合で結果を比較検討する．
液状化強Cc=0.5%

0.200.15

Cc=0.3%
Cc=0.5%0.05

Cc=1.0%0.00
1101001000

Number of cycles to liquefaction，Nc

図-5 再液状化強度曲線（液状化の程度が小さい場合）

0.25

Cyclic stress ratio, σd/2σ'cで単調載荷によるせん断を行う．LSS 試験は，液剛性率 G0 とする．

Cc=0.0%0.100.30

示しているときのせん断剛性率 G を初期せん断

1000

0.25

軸ひずみ速度は 0.025mm/min のもと，排水状態

お，ひずみが 0.001%以下で線形弾性体の挙動を1000.30

数 Nc =20 回のときの σd’/2σc’と定義する．

状化履歴液状化履歴の有無による比較を行う．
な10

図-4 液状化強度曲線（液状化の程度が小さい場合）

度比 RL は液状化強度曲線における繰返し載荷回LSS 試験は図-2 に示した局所変位計を用いて，Cc=1.0%

Number of cycles to liquefaction，NcCyclic stress ratio, σd/2σ'cただし，2 回目の液状化の判定は，1 回目の液状Cc=0.3%0.10

1回目の液状化試験では本研究，先行研究ともに両振幅ひずみ DA=5%に達するまで試験を継続した．

Cc=0.0%0.00

振幅ひずみ DA=5%に達した段階を液状化状態と者を液状化の程度が大きい場合とする．なお，20.15

0.05た段階を液状化状態と判断する．
先行研究では両判断した．前者を液状化の程度が小さい場合，後

0.20

0.20
0.15

Cc=0.0%0.10

Cc=0.3%
Cc=0.5%0.05

Cc=1.0%0.00

3. 試験結果および考察
3.1 液状化強度特性
液状化の程度が小さい場合の液状化強度曲線

1含有率と液状化強度比の関係（液状化の程度の違いによる比較）を表-3 に示す．
図-4 より液状化の程度が小さい場合では，セメント含有率 Cc =0.0%，0.3%では液状化強度曲線はほぼ同じ傾向を示した．また，セメント含有率 Cc =0.5%以上で液状化強度が増加することが確認された．これは，セメンテーション効果によ

1000

0.30

Cyclic stress ratio, σd/2σ'c

図-6，再液状化強度曲線を図-7 に示す．セメント100

図-6 液状化強度曲線（液状化の程度が大きい場合）

を図-4，再液状化強度曲線を図-5 に示す．また，液状化の程度が大きい場合の液状化強度曲線を

10

Number of cycles to liquefaction，Nc0.25
0.20
0.15

Cc=0.0%0.10

Cc=0.3%Cc=0.5%

0.05

Cc=1.0%0.00
1101001000

Number of cycles to liquefaction，Nc

図-7 再液状化強度曲線（液状化の程度が大きい場合）

り砂粒子間の結合が強まり，土粒子構造が安定し

表-3 セメント含有率と液状化強度比の関係たためであると考えられる．図-5 より，液状化の程度が小さい場合では，セメント含有率が高くなるほど，再液状化強度は高くなる傾向を示した．

液状化の程度が小さい場合（p '=0kPaで液状化と判断）

セメント分含有率
C c (%)

液状化の程度が大きい場合（DA=5%で液状化と判断）

液状化強度比RL

再液状化強度比
RL

液状化強度比RL

再液状化強度比
RL

0.0

0.151

0.144

0.150

0.107

0.3

0.149

0.168

0.153

0.091

強度及び再液状化強度が増加する傾向が見られ0.50.158

0.181

0.169

0.123た．また，図-6，図-7 を比較すると，液状化強度

1.00.221

0.257

0.215

0.210

また，図-6，図-7 より，液状化の程度が大きい場
合では，セメント含有率 Cc =0.5%以上で液状化

140の傾きは急になっていることから，液状化が起こ120った時の地震よりも小さい地震でも再液状化が起こる可能性があると考えられる．
本研究で行った液状化の程度が小さい場合と，先行研究で行った液状化の程度が大きい場合で液状化強度比を比較した．表-3 より，液状化の程Shear modulus, G(MPa)曲線に比べ，再液状化強度曲線のほうが近似曲線

6040

No liquefaction history
Liquefaction history

0-0.5では，液状化強度比よりも再液状化強度比のほう
合，セメント混合砂では，液状化強度比よりも再8020度の違いに関わらず，セメント含有率 Cc =0.0%が小さくなった．また，液状化の程度が小さい場

100化の程度が大きい場合，セメント混合砂において，1203.2 せん断剛性率（波動伝播特性）

本節では，BE 試験の結果より得られたせん断剛性率について述べる．
液状化履歴の有無によるせん断剛性率の比較を図-8 に示す．なお，図-8 は液状化の程度が小さい場合の試験結果である．
また，図-9 にセメント含有率とせん断剛性率の関係（液状化の程度の違いによる比較）を示す．なShear modulus, G(MPa)

140さくなった．

0.51.0Cement content Cc (%)

1.5

図-8 液状化履歴の有無によるせん断剛性率の比較

液状化強度比のほうが大きくなった．一方，液状液状化強度比よりも再液状化強度比のほうが小0.0

100806040Liquefaction p'=0kPa20Liquefaction DA=5%0-0.50.00.51.0Cement content Cc (%)

1.5

図-9 液状化の程度の違いによるせん断剛性率の比較

お，図-9 は再圧密後に実施した BE 試験の結果である．図-8 より砂（セメント含有率 Cc =0.0%）

また，図-9 より砂（セメント含有率 Cc =0.0%）では，液状化履歴の有無でせん断剛性率はほぼ変では，液状化の程度が小さい場合のほうが液状化わらなかったが，セメント混合砂（セメント含有の程度が大きい場合よりもせん断剛性率が小さ率 Cc =0.3%以上）では，液状化履歴を与えることくなったが，セメント混合砂（セメント含有率 Ccで，せん断剛性率が減少することが確認された．

=0.3%以上）では，液状化の程度が小さい場合のこれは前節で述べた液状化強度特性の傾向とはほうが液状化の程度が大きい場合よりもせん断異なるため，せん断剛性率と液状化強度に相関は剛性率が大きくなった．

ないと考えられる．

3.3 微小変形特性120

本節では，LSS 試験によって得られたせん断剛状化履歴を与える前のせん断ひずみとせん断剛性率の関係を示し，図-11 に液状化履歴（液状化の程度が小さい場合）を与えた後のせん断ひずみ

100

Shear modulus, G(MPa)性率のひずみ依存性について述べる．図-10 に液8060
Cc=0.0%40

Cc=0.5%とせん断剛性率の関係を示す．なお，砂とセメン

20

ト混合砂でせん断剛性率を比較するため，
セメン

00.0001

0.001

ト含有率 Cc =0.0%と 0.5%の結果を抜粋した．

0.01
Shear Strain, εs (%)

0.11

図-10，図-11 より，液状化の履歴の有無によっ

図-10 せん断ひずみとせん断剛性率の関係て，せん断剛性率の低下率が異なっていることが（液状化履歴なし）わかる．Cc =0.5%の場合，液状化履歴なしのほう

120が，液状化履歴ありに比べ，せん断ひずみの増加に0.001%から 0.010%のひずみ区間でその傾向が顕著であることが確認できる．これは液状化履歴を与えることで，ある程度セメンテーションが壊れたため，急激なせん断剛性率の低下を示さなく100

Shear modulus, G(MPa)によってせん断剛性率が急激に低下しており，
特80
60
Cc=0.0%40

Cc=0.5%20なったと考えられる．

00.0001

3.4 相対密度

0.001

0.01
Shear Strain, εs (%)

0.11

試験過程において圧密後（液状化前）と再圧密

図-11 せん断ひずみとせん断剛性率の関係

後（液状化後）で供試体の相対密度を比較した．

（液状化履歴あり）

表-4 にセメント含有率と相対密度の関係を示し
表-4 セメント含有率と相対密度の関係た．
表-4 より液状化履歴を与えることで，セメントの有無にかかわらず，供試体の密度は増加していることがわかる．また，液状化の程度に着目す

セメント分含有率C c (%)

液状化の程度が小さい場合（p '=0kPaで液状化と判断）

液状化の程度が大きい場合（DA=5%で液状化と判断）

圧密後
相対密度D r

再圧密後
相対密度D r

圧密後
相対密度D r

再圧密後
相対密度D r

ると，液状化の程度が小さい場合は，相対密度が0.0

32.3

36.0

31.741.4

約 4%増加した．また，液状化の程度が大きい場

0.3

25.0

28.8

23.9

33.7

合は，相対密度が約 10%増加した．液状化の程度

0.5

26.0

29.5

24.3

34.0

1.0

22.3

25.2

19.8

29.4

が大きい場合，液状化強度比よりも再液状化強度比のほうが小さくなることから，相対密度の変化からは説明できない強度増加がある．

4. 結論
本研究によって得られた知見を以下に示す．
1) 液状化の程度が大きい場合，液状化強度よりも再液状化強度のほうが小さくなった．
2) 液状化の程度が小さい場合，セメント混合砂において液状化強度よりも再液状化強度のほうが大きくなった．
3) セメント混合砂において，液状化履歴を与えることで，せん断剛性率は減少する傾向が見られた．
以上より，再液状化の評価には，液状化の程度が重要であるという結論が得られた．